Definizione operativa di sostanza chimica

Tabella 1

Cinque relazioni importanti in chimica

 

(a)  reazioni     «     proprietą
(b)  macroscopico     «     microscopico
(g)  tutto     «     parti
(d)  quantitą     «     qualitą
(e)  sistema     «     ambiente

 

Diamo innanzi tutto una definizione operativa di sostanza chimica: un corpo che possiede proprietà chimiche e fisiche ben definite, ad esempio: punto di fusione e densità (in certe condizioni), solubilità (in certi solventi). Ho elencato tre proprietà macroscopiche, perché mi piacerebbe mantenere saldo il livello ontologico di riferimento di sostanza(della parola 'sostanza'). Ma il livello macroscopico pare implicare a sua volta la possibilità di ostensione di un campione materiale della sostanza, e questo non è possibile in molti casi di interesse chimico, dai complessi attivati che si formano durante le reazioni, a certe sostanze disperse negli spazi interstellari, ai radicali intrappolati a basse temperature in matrici opportune. Anche tenendo conto di questi e di altri casi, non marginali, vorrei rimanere nell'ambito di applicazione della (b), perché la chimica di sintesi è pur sempre un'attività rivolta in generale a produrre sostanze in quantità ponderabili (da 10-3 a 1011 g). Spingiamo quindi la definizione di sostanza appena data verso un limite di migliore applicabilità nelle scienze chimiche, e cioè verso il concetto di sostanza pura. Qui possiamo considerare due definizioni, una macroscopica, valida da un paio di secoli, e una microscopica, più recente e legata alla possibilità di indagine chimico-fisica delle sostanze. Una sostanza è pura a livello macroscopico quando permangono le stesse proprietà se sottoposta a ripetuti processi di purificazione (ad es. cristallizzazioni). Una sostanza è pura a livello microscopico se è costituita in ogni sua parte (di dimensioni adeguate) da insiemi identici di particelle microscopiche, molecole, atomi, ioni. Vedremo subito che si tratta di una 'identità' condizionata.

L'acquisizione del concetto stesso di sostanza ha segnato la nascita della chimica moderna nella seconda metà del settecento. Quando all'inizio dell'ottocento si è poi consolidata la nozione di purezza, il concetto si è trasformato in concetto-limite, spostato verso livelli sempre più sofisticati in funzione dello sviluppo delle tecniche analitiche e delle conoscenze chimico-fisiche. Faccio solo due esempi. Prima della separazione degli isomeri ottici fatta nel 1844 da Louis Pasteur, con le sue magiche e pazienti pinzette, non si sarebbe potuto parlare di levo-tartrato di ammonio e potassio puro. Fino al 1932 l'acqua fu ritenuta pura se distillata in modo adeguato, anche se si sapeva che avrebbe contenuto comunque qualche ione estraneo. Ma dopo la scoperta dell'isotopo pesante dell'idrogeno, peraltro preceduta e sollecitata della scoperta degli isotopi dell'ossigeno, dall'acqua più pura fu separato un altro corpo, l'acqua pesante D2O, in cui le residue molecole H2O apparivano ormai come impurezza.

Dobbiamo accettare come criteri storicamente condizionati sia l'invarianza macroscopica di una sostanza chimica - rispetto ai processi di purificazione, sia la sua omogeneità microscopica - rispetto all'indagine chimico-fisica. Se ora riprendiamo la dialettica fondamentale delle procedure chimiche, espressa dalla (a) e la colleghiamo a quanto appena detto sulle pratiche di purificazione, possiamo mettere in evidenza diversi fatti importanti, nella storia della chimica e nella sua epistemologia. Molte volte la scoperta degli elementi si è realizzata attraverso processi analitici che misero in luce residui inattesi, scorie, impurezze; sempre si è avvertita la presenza di nuovi elementi perché le proprietà delle sostanze esaminate non corrispondevano a quelle note. Ma sono state proprio le pratiche analitiche a fornire l'ampia base sperimentale che convalidò la definizione di elemento dovuta all'esprit de système di Lavoisier: è elementare una sostanza che non può essere ulteriormente decomposta. È l'invarianza rispetto a tutti i possibili 'tormenti' chimici e fisici a rendere una sostanza degna del titolo pregnante di elemento. Salvo poi scoprire che certi elementi non erano tali, o che una certa sostanza, ritenuta composta, era proprio un elemento (va da sé che quest'ultimo caso, del cloro, ebbe all'origine una interpretazione errata della reattività).

Il riferimento agli elementi ci è indispensabile, al di là delle vicende storiche, perché essi possono manifestare nel modo più semplice alcune caratteristiche assai particolari della chimica. Prima di tutto le reazioni degli elementi fra di loro dimostrano inequivocabilmente l'emergere di nuove proprietà. Si prenda il caso canonico del sodio e del cloro. Il sodio è un metallo che fonde al di sotto della temperatura di ebollizione dell'acqua, il cloro è un gas tossico; messi a contatto reagiscono con violenza, dando il cloruro di sodio, un sale che fonde a 800 °C, e che usiamo come gustoso condimento di ogni cibo. Passando a livello microscopico l'esito della reazione non è meno stupefacente: mentre un certo numero di proprietà fisiche degli atomi di sodio e di cloro si sono conservate (e.g. massa e spin nucleare) le proprietà chimiche sono cambiate in modo radicale, a partire dai legami.

I chimici hanno perseguito tenacemente l'emergere di nuove proprietà non solo nelle sostanze, ma negli stessi processi di produzione delle sostanze, le reazioni. Composti con nuove proprietà sono stati prodotti e caratterizzati nell'ordine della decina di milioni, lavorando in due domini in buona parte sovrapposti, ma che per comodità discorsiva possiamo distinguere come dominio combinatorio e dominio costruttivo. Il primo ha ripreso vigore in tempi recenti, però qui possiamo citarlo nella forma classica: un nuovo elemento, appena scoperto, o un nuovo reattivo appena sintetizzato, vengono fatti reagire con intere popolazioni di altre sostanze. Nel dominio costruttivo i chimici compiono da quasi un secolo e mezzo esercizi mirabolanti di sintesi, costruendo nuove molecole (livello microscopico) attraverso la manipolazione di sostanze note (livello macroscopico). Anche gli studi che portano a nuove reazioni possono essere ripartiti nei due domini. Facendo due casi estremi, vediamo che al dominio combinatorio appartiene una parte rilevante della ricerca sui catalizzatori, al dominio costruttivo appartiene il costante fiorire di nuove reazioni, specialmente in chimica organica, in grado di costruire intere strutture molecolari o di modificarle in modo preciso e assolutamente mirato. È proprio mediante queste reazioni, veri strumenti di manipolazione molecolare, che i chimici uniscono i domini combinatori e costruttivi delle nuove sostanze, guidati nelle procedure progettuali e di laboratorio da una 'lettura' delle strutture molecolari che si basa su (g), la relazione/opposizione fra tutto e parti.

Riprendo il cenno già fatto al cortisone perché la ricerca di un suo derivato, attivo in terapia e privo di 'effetti collaterali', ha portato alla produzione di molte centinaia di 'cortisonici', le cui molecole condividono con quelle del cortisone gran parte delle caratteristiche strutturali, ma ne differiscono per i gruppi funzionali. Più in generale la ricerca sull'attività fisiologica delle sostanze, naturali o di sintesi, mira a capire quale parte della molecola produce il particolare effetto riscontrato nelle cavie o nell'uomo. Così, allo stesso modo e per le medesime ragioni strutturali, siamo convinti che i siti attivi degli enzimi, essendo condizionati nel loro funzionamento dal substrato con cui reagiscono, non possano ritrovarsi trasformati più che tanto, sia all'interno di una specie, sia tra specie diverse.

Prima di discutere dal nostro attuale punto vista la relazione (e), fra sistema e ambiente, riprendiamo in forma più articolata la (a):

modificano

indicano

   ---------------------------->

(a') reazioni                                            proprietà

 <----------------------------

provocano

spiegano

Una reazione non sarebbe tale se non trasformasse una sostanza in un'altra, modificandone le proprietà. Un caso molto interessante è quello di certe reazioni di isomerizzazione che non cambiano la topologia delle molecole, ma alterano profondamente le loro geometria: tutti i legami sono conservati, mentre varia la loro disposizione nello spazio. Per l'aspetto topologico la struttura è invariata, per l'aspetto geometrico è trasformata. La freccia 'di ritorno' in (a') sottolinea che sono le proprietà atomico/molecolari delle sostanze a provocare le reazioni (ma certamente non solo esse). Che le reazioni modifichino le proprietà, e che le proprietà provochino le reazioni è una nostra interpretazione, di cui siamo tanto sicuri che nella pratica quotidiana di laboratorio spesso le reazioni indicano direttamente le proprietà delle sostanze (tra l'altro la loro presenza nel sistema), e di converso le proprietà delle sostanze ci spiegano perché avvengono le reazioni.

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